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Natürliche und künstliche Elementumwandlungen

Lehrplan exemplarische Besprechung einer Zerfallsreihe unter Mitverwendung der Nuklidkarte; Ableiten und Anwenden der Verschiebungssätze
Literatur

 Physikal.FormelsammlungS.81,82

Beer/Glöckner/Letterer S.101

R. Schwankner: Radiochemie-Praktikum [HQ170 SCH]
Medien   
Geräte Hochspannungsnetzgerät (neg. Hochspannung); Vorwiderstand 1 GW; Isolatorendünner Draht, ca. 50 m; GM-Zähler
Chemikalien

 

Natürliche Zerfallsreihen

In der Natur kommen drei Zerfallsreihen vor. Eine weitere Zerfallsreihe ist wegen zu geringer Halbwertszeit der Zerfallsprodukte nicht mehr vorhanden (siehe Physikal. Formelsammlung S.81,82):

 

Beginn

Ende

Uran-Radium-Reihe

Uran-Actinium-Reihe

Thorium-Reihe

Neptunium-Reihe

 

Uran-Radium-Reihe

Anwendung der Verschiebungssätze und der Nuklidkarte

Versuch: Nachweis von Polonium-218 aus dem Radon-Zerfall im Klassenraum

Entstehung des Rn-222 und seiner Folgeprodukte in bodennaher Luft

Eindringen des radioaktiven Edelgases Radon in Wohnräume

Übungsaufgaben:

Zerfallsgleichungen von U-238 bis Pb-206 (abb aaaaa bba bba)

 

künstliche Elementumwandlungen und zusätzliche Zerfallsarten

Lehrplan LZ: Einfang- und Austauschreaktionen

LI: Hinweis auf historische Versuche mit a-Teilchen und die Entdeckung von Neutron und Positron; Hinweis auf die Bedeutung von Teilchenbeschleunigern (->Ph13) 
Literatur

 
Medien   
Geräte
Chemikalien

 

Historische Versuche mit a-Teilchen

Vorüberlegungen: Zur Elementumwandlung ist die Veränderung der Zahl der Kernprotonen notwendig - Traum der Alchemisten - "Hineinschießen" von Protonen? - "Herausbombardieren" von Protonen? - Welche Geschosse sind geeignet? Atomkerne mit kleinen Kernladungen! z.B. Protonen, Deuteronen, Heliumkerne - Notwendigkeit hoher Teilchenenergie zur Überwindung der Coulomb-Abstoßung!

a-Strahlen radioaktiver Substanzen als Quelle für Heliumkerne hoher Energie!

 

Protonenemission

 Rutherfords erste geglückte Kernumwandlung 1919: Beobachtung in der Nebelkammer, gefüllt mit Stickstoff

- Bestimmung der Massen 1 und 17 durch Analyse der Impulsbedingungen

 

 

Seltenheit des Ereignisses! 1 : 100000 - chemische Isolierung und Charakterisierung der entstandenen Elemente nicht möglich.

Zahlenbeispiel: 1 g Radium entwickelt pro Jahr 167 mm3 Helium -> ca. 1/1000 mm3 Reaktionsprodukte - Hinweis auf Teilchenbeschleuniger

 

Neutronenemission

Mischungen von Radium- und Berylliumpulver führten 1932 zur Entdeckung des Neutrons durch Chadwick:

Targetnuklid - Projektil - emittiertes Teilchen - Endnuklid

 

Entdeckung der künstlichen Radioaktivität (Joliot-Curie 1934)

Protonenüberschuss =>  Positronenemission!

Anwendung? Medizin: Positronenemissionstomographie

 

Neutroneneinfangreaktion

Neutronen als ideale Kerngeschosse dringen wegen fehlender Ladung leicht in Atomkerne ein, lagern sich z.B. an und geben ein radioaktives Isotop.

Mit langsamen (thermischen) Neutronen gelingt die Herstellung radioaktiver Isotope von fast allen Elementen.

Neutronenüberschuss -> b-Strahler

Beispiel:

Anwendung: Neutronenaktivierungsanalyse (10-13g) z.B. zur Echtheitsprüfung von Gemälden (Bleiweiß)

Möglichkeit zur Herstellung von Transuran-Elementen!

Entstehung von Plutonium im Kernreaktor und von weiteren Transuranelementen bei Kernexplosionen (Am, Fm, Cm)

Cm (T = 162d) ständige Rotglut, 0,7 g Cm/l: ständiges Sieden!

Cf-252: starker Neutronenstrahler

Suche nach Stabilitätsinseln (z = 114, 164)

Beim Versuch, die durch Neutronenbestrahlung von Uran entstehenden Reaktionsprodukte zu isolieren, wurde die Kernspaltung entdeckt.

 

Teilchenbeschleuniger 

Ursprünglich wurden Kernreaktionen durch natürliche radioaktive Strahlung ausgelöst. Ergiebiger ist die Erzeugung hochenergetischer Teilchenstrahlen durch Beschleunigung geladener Teilchen im elektrischen Feld:

erste Geräte: Bandgenerator, Linearbeschleuniger

Begrenzung durch Funkenentladungen - oberhalb 5 Mio Volt unvermeidlich!

 

Linearbeschleuniger

mehrere hintereinandergeschaltete Beschleunigungsstrecken - Betrieb mit Wechselspannung (Stanford-Linearbeschleuniger 40 GeV, 3 km Länge)

 

Zyklotron

Teilchen werden durch ein Magnetfeld (senkrecht zur Bewegungsrichtung) auf eine Kreisbahn gezwungen:

 

 

 

 

 

 

Strahl von 10-4 A entspricht 10 kg Radium!

aber: die relativistische Massenzunahme setzt Grenzen (daher nicht für Elektronen geeignet)

p -> 10 MeV    d -> 20 MeV    He -> 40 MeV

Ausweg: Synchro-Zyklotron


 

Nutzung künstlicher Radioisotope in Medizin, Forschung und Technik

Lehrplan Berichten über den Einsatz in Medizin, Forschung und Technik (->B; ->GE,MT) z.B. Diagnostik, Therapie, Isotopenmarkierung (vergl. C13.3), Materialprüfung)
Literatur

 CIUZ H.3S.82(1971)

CIUZ H.2S.33(1971)
Medien   
Geräte
Chemikalien

 

 

Radioisotope als Energiequelle

 

Thermobatterien

- für Raumflüge, Satelliten,

- Herzschrittmacher 0,1 W (150 mg 238PuO2)

- bei Apollo-Unternehmen:

4 kg PuO2 -> 1480 W (theor.) -> 60 W el.

 

Leuchtfarben

 

Nutzung der biologischen Strahlenwirkung

- Mutationsauslösung

- Sterilisation, Keimungshemmung

- Krebstherapie "Cobaltbombe"

 

Nutzung der Durchdringungsfähigkeit

- Dickenmessung (Papier)

- Materialprüfung (Gußteile)

- Füllstandsmessung (Stahlflaschen)

- Zählung (z.B. von Flaschen)

 

radioaktive Indikatoren

- Neutronenaktivierungsanalyse (zerstörungsfrei, Empfindlichkeit: 10-13 - 10-15 g !)

- Tracer-Methode (Photosynthese, Medikamente, C-14, Szintigraphie, Schilddrüsendiagnose)